ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита. Эти процессы складываются из направленного движения ионов в растворе или расплаве электролита и реакций восстановления и окисления, происходящих на электродах

Электрод, на котором протекают процессы окисления, называется анодом, а электрод, на котором протекают процессы восстановления – катодом.

Потенциал анода всегда меньше потенциала катода. При электролизе анод заряжен положительно, катод – отрицательно.

При электролизе растворов электролитов на катоде возможны следующие реакции:

1) восстановление ионов металла Men+ + nē → Me;

2) восстановление ионов водорода в кислой среде

+ + 2ē → Н20 (2Н+2) = 0,0 В);

3) восстановление молекул воды

2О + 2ē → Н2 + 2ОН-02О/Н2) = -0,41 В).

Из возможных катодных процессов осуществляется тот, который характеризуется наибольшим значением электродного потенциала.

Из этого следует, что при электролизе растворов солей металлов, стоящих в ряду напряжения после водорода, например, медь, серебро, золото и другие, на электроде восстанавливаются только ионы металла и выделяется металл. В нейтральных и щелочных растворах с рН ≥ 7 возможно выделение и тех металлов, электродные потенциалы которых выше -0,41 В. (Объяснение следует дальше)

Из растворов, содержащих смесь таких катионов, происходит последовательное выделение металлов в порядке уменьшения величины их электродных потенциалов.

Если в растворе находятся ионы металлов, стоящие в ряду напряжения до алюминия включительно (φ0 (Аl3+/Al) = -1.66 В), например, натрий, литий, кальций и другие, то на катоде восстанавливается только вода.

Металлы, электродные потенциалы которых не сильно отличаются от водородного (находится в ряду напряжения металлов после алюминия), восстанавливаются на катоде одновременно с водой. При этом выделяется и металл, и водород. В зависимости от условий электролиза массовые соотношения металла и водорода могут быть различными, вплоть до выделения только одного металла или водорода.

При электролизе растворов электролитов на аноде могут протекать реакции окисления:

1) анионов кислотных остатков: Ann- →An + nē;

2) гидроксид - анионов

4ОН- - 4ē →2Н2О + О20 (O2 + 2Н2O/4OH-) = 0,4 B);

3) молекул воды

2О - 4ē → О2 + 4Н+0 (O2 + 4Н+/2Н2O ) = 1,23 B при рН = 7);

4) металла анода (растворимый анод)

Me →Men+ + nē.

Из возможных анодных процессов осуществляется тот, который характеризуется наименьшим значением электродного потенциала.

Характер анодных процессов зависит от природы используемого анода. Различают инертные и растворимые аноды. Первые изготовлены из малоактивных металлов, например, из платины, а также используют графитовые, угольные электроды. Материалом растворимых анодов является металл с потенциалом меньшим, чем потенциалы конкурирующих процессов, например, медь, цинк и другие. При этом окислению подвергается материал анода. Так, при электролизе раствора сульфата меди (II) с медным анодом происходит растворение анода: Сu → Cu2+ + 2ē. Это объясняется тем, что потенциал меди (φ0(Cu2+/Cu) = 0,34 B) меньше потенциалов окисления воды и сульфат - иона. В процессе электролиза с использованием растворимого анода металла анода в виде ионов переходит в раствор, затем они могут восстанавливаться на катоде. На этом основаны методы очистки металлов от примесей (электрохимическое рафинирование металлов), методы нанесения покрытий и прочее.

На инертных анодах (графитовый, угольный, платиновый) могут окисляться молекулы воды, гидроксид – ионы или ионы кислотных остатков.

На аноде в растворах кислородосодержащих кислот или их солей разряжается вода. Это связано с тем, что электродные потенциалы анионов кислородосодержащих кислот имеют большие значения, чем потенциал окисления воды. Например, 2SO42- - 2ē → S2O82- (2,01 В). Аналогично ведут себя фторид-ионы (φ0(F2/2F-) = 2,87 B).

Ионы Cl-, Br-, J-, S2- разряжаются из не очень сильно разбавленных растворов.

2Сl- → Cl2 + 2ē, φ0(Cl2/2Cl-) = 1,36 B,

2Br- → Br2 + 2ē, φ0(Br2/2Br-) = 1,065 B,

2J- → J2 + 2ē, φ0(J2/2J-) = 0,54 B,

S2- → S + 2ē, φ0(S/S2-) = -0,51 B,

В связи с перенапряжением реакции выделения кислорода на аноде идёт окисление ионов хлора, хотя его потенциал больше потенциала окисления воды.

При электролизе растворов щелочей на аноде происходит окисление гидроксид-ионов, т.к. этот процесс характеризуется наименьшим потенциалом.

ПРИМЕР 1:Составьте схемы электролиза раствора NiCl2 (анод угольный).

Загрузка...

ОТВЕТ:На катоде могут разряжаться вода и катионы никеля. Т. к. величина потенциала никеля (φ0(Ni2+/Ni) = -0,25 В) близка к значению потенциалу восстановления воды, на катоде будут восстанавливаться и ионы металла, и вода. Конкурирующими анодными реакциями являются окисление воды и окисление хлорид – иона, на аноде окисляется ион хлора (объяснение смотрите выше).

Схема электролиза раствора NiCl2

(-) Катод: (+) Анод:

Ni2+ + 2ē → Ni 2Cl- -2ē → Cl2

2О + 2ē → Н2 + 2ОН-

Ni2+

Общая реакция электролиза хлорида никеля (II) –

2NiCl2 + 2Н2О → Ni + Ni(OH)2 + H2 + 2Cl2

ПРИМЕР 2:В чём состоит различие процессов электролитического разложения раствора сульфата меди на угольном и медном анодах?

ОТВЕТ:На катоде могут разряжаться вода и катионы меди. Так как потенциал восстановления катионов меди (II) больше потенциала восстановления воды, восстанавливаться будут ионы меди.

Конкурирующими анодными реакциями (угольный анод) являются окисление воды и окисление сульфат – иона.

Так как φ0 (S2O82-/2SO42-) > φ0 (O2 + 4Н+/2Н2O), следовательно, на аноде окисляется вода.

Схема электролиза раствора CuSO4 на угольном аноде

(-) Катод: (+) Анод:

Сu2+ + 2ē → Cu 2Н2О - 4ē → О2 + 4Н+

2SO42-

При использовании медного анода окислению подвергается материал анода - медь, в результате чего анод будет растворяться.

Схема электролиза раствора CuSO4 на медном аноде

(-) Катод: (+) Анод:

Сu2+ + 2ē → Cu Сu - 2ē → Cu2+

SO42-

Следовательно, электролиз растворов сульфата меди (II) на угольном и растворимом аноде отличаются анодными процессами. При электролизе на инертном аноде окисляется вода, образуя кислород и кислоту, в случае растворимого анода данные процессы происходить не будут.

Процессы, протекающие при электролизе, подчиняются законам Фарадея.

I. Масса электролита, подвергшаяся превращению при электролизе, а также массы образующихся веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит.

m = k ∙ q

где m - масса (г) образовавшегося, или подвергшегося превращению вещества;

q – количество электричества, прошедшего через электролит (Кл),

q = J ∙ t,

где J – сила тока, А; t – время, с.

k – электрохимический эквивалент.

Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества, выделяемого 1 Кл электричества.

где МЭ – молярная масса эквивалента, г/моль-экв;

F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл.

Постоянная Фарадея – это количество электричества, необходимое для осуществления электрохимического превращения одного моль эквивалента вещества.

Подставив все параметры, получим выражение:

II. При электролизе различных электролитов равные количества электричества выделяют на электродах массы веществ, пропорциональные их эквивалентным массам.

ПРИМЕР 3:Рассчитайте массы веществ, образовавшихся на электродах при электролизе раствора сульфата меди (II) (на инертном аноде) при пропускании тока силой 10 А в течение 30 минут.

ОТВЕТ:Схема электролиза раствора сульфата меди (II) на угольном аноде рассмотрена в примере 4. Суммарное уравнение электролиза раствора CuSO4:

2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + O2 + 2H2SO4.

На катоде образуется медь, на аноде – кислород. Для определения масс меди и кислорода воспользуемся первым законом Фарадея.

;

MЭ (Cu) = 63,55/2 = 31,78 г/моль-экв

MЭ2) = 32/4 = 8 г/моль-экв

.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

121.Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): K2SO4; NiCl2. При электролизе какого из предложенных вам веществ выделяется кислород? Сколько кислорода выделится при электролизе током силой 30 А в течение 1,5 часов?

122. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): NaOH; AgNO3. При электролизе, какого из предложенных вам веществ выделяется водород? Сколько водорода выделится при электролизе током силой 25 А в течение одних суток?

123. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): H2SO4; CaCl2. Сколько грамм серной кислоты подвергнется электролитическому разложению в течение 20 мин под действием тока силой 120 А?

124. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): NaNO3; SnCl2. Какое соединение образуется на катоде при электролизе нитрата натрия? Найдите его массу, если электролиз протекал 2 часа с силой тока 100 А.

125. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): CuSO4; FeCl2. Сколько грамм меди выделится на электроде при пропускании через раствор электролита заряда 241,25 Кл?

126. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): HCl; Cr(NO3)2. Рассчитайте силу тока, который выделит 50 г водорода из раствора HCl в течение 20 мин.

127. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): KOH; CuCl2. Найдите силу тока, с которой проводят электролиз раствора CuCl2, массой 16,79 г, в течение 20 мин.

128. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): AgNO3; CoCl2. Определите массу серебра, выделившегося на катоде при пропускании через раствор нитрата серебра тока силой 50 А в течение 50 мин.

129. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): BeCl2; CdSO4. Рассчитайте электрохимический эквивалент хлорида бериллия.

130. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): HNO3; CuBr2. При электролизе какого из предложенных вам соединений образуется водород? Определите объём водорода, если электролитическое разложение проводят током силой 200 А в течение 2 часов.

131. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): Ca(OH)2; NiCl2. Какое количество электричества необходимо для электрохимического превращения 34 г гидроксида кальция?

132. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): PtCl2; Sn(NO3)2. Как долго нужно проводить электролиз для получения 19,5 г платины, если сила тока составляет 120 А?

133. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): CuCl2; FeSO4. В течение какого времени осуществляется электролитическое разложение 38 г хлорида меди, содержащихся в растворе? Сила тока равна 65 А.

134. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): Ba(OH)2; NaCl. При электролизе какого из предложенных вам соединений образуется кислород? Определите объём кислорода, если электролитическое разложение проводят током силой 40 А в течение 1 часа.

135. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): MnBr2; Ni(NO3)2. Определите электрохимические эквиваленты веществ, образующихся на катоде при электролизе нитрата никеля(II).

136. Cоставьте схемы электролизов раствора AgNO3, протекающих на угольном и растворимом серебряном анодах. В чём будет заключаться различие? Определите массу серебра, выделившегося на катоде при пропускании тока силой 100 А в течение 30 мин через раствор AgNO3?

137. Cоставьте схемы электролиза растворов Zn(NO3)2, протекающих на угольном и растворимом цинковом анодах. В чём будет заключаться различие? Определите объём газа выделившегося на катоде при пропускании тока силой 50 А в течение 10 мин через раствор Zn(NO3)2?

138. Cоставьте схемы электролиза растворов NiCl2, протекающих на угольном и растворимом никелевом анодах. В чём будет заключаться различие? Какой заряд нужно пропустить через раствор хлорида никеля (угольный анод), чтобы подвергнуть превращению 0,325г хлорида никеля?

139. Cоставьте схемы электролиза растворов Ti(NO3)2, протекающих на угольном и растворимом титановом анодах. В чём будет заключаться различие? Определите силу тока, пропускаемого через раствор Ti(NO3)2 в течение 20 мин, если объём газа, выделившегося на аноде, составляет 2,79 л (угольный анод)?

140. Cоставьте схемы электролиза растворов CoCl2, протекающих на угольном и растворимом кобальтовом анодах. В чём будет заключаться различие? Рассчитайте электрохимический эквивалент выделившегося на аноде продукта (электролиз проводят на угольном аноде).

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

46 − 36 =